基于嵌入式测控系统的数字滤波方法设计

0 引言

　　模拟信号都必须经过A／D转换才能被嵌入式控制器接收。但在干扰作用于模拟信号之后，其A／D转换结果往往会偏离真实值。因此，仅采样一次是无法确定该结果是否可信的，而必须多次采样，才能得到一个A／D转换的数据系列，然后通过某种处理，才能得到一个可信度较高的结果。这种从数据系列中提取逼近真值的软件算法，通常称为数字滤波算法。相对于硬件滤波，数字滤波的优越性在于其无需硬件且可靠性高，尤其对频率很高或很低的信号进行滤波。此外，由于对多输入通道可共用一个滤波程序，故可大大降低产品成本。

　　1 嵌入式测控系统中常见的数字滤波算法

　　1.1 限幅滤波

　　首先根据被测对象确定相邻两次采样所允许的最大差值△Y，然后在每次采样后和上次有效采样值进行比较，如果变化幅度不超过△Y，则本次采样有效；否则，本次采样值被视为干扰而放弃，而以上次采样值为准。其原理可用如下公式表示：

　　其中，yn为第n次采样值，yn-1为第(n-1)次采样值。

　　实现上述过程的参考程序(返回有效的采样值)如下：

　　限幅滤波主要用于处理变化比较缓慢的数据，如温度、湿度、液位等。该方法使用的关键是要选取合适的门限△Y。△Y通常可根据经验数据获得，必要时也可由实验得到。

　　1.2中值滤波

　　这种滤波方式一般对目标参数连续采样N次(N一般为奇数)，然后把N次采样值进行排序，再取中间值作为有效值。对于变化很慢的参数，也可以增加采样次数。而对于变化较为剧烈的参数，此法不宜采用。其参考程序如下：

　　1.3算术平均滤波

　　该算法对目标参数先进行连续采样，然后求其算术平均值作为有效采样值。该算法适用于对具有随机干扰的信号进行滤波。这种信号的特点是有一个平均值。信号在某一数值附近上下波动。信号的平滑程度完全取决于采样次数N，采样次数越多，平滑效果越好，但系统的灵敏度也会下降。为方便求平均值，N一般取4、8、16之类的2的整数次幂，以便系统用移位法来代替除法。其参考程序如下：

　　1.4去极值平均滤波

　　算术平均滤波不能消除明显的脉冲干扰，而只是将其影响削弱。由于明显干扰会使采样值远离其真实值，因此可以比较容易地将其剔除，而不参加平均值计算，从而使平均滤波的输出值更接近真实值，这就是去极值算法，又称为防脉冲干扰平均值滤波算法。该方法的原理是连续采样N次，并将其累加求和，同时找出其中的最大值和最小值，再从累加和中减去最大值和最小值，再按N-2个采样值求平均，即可获得有效采样值。为方便求平均值，N-2应为2、4、8、16，故N常取4、6、10、18。其参考程序如下：